TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Renovace laboratorní úlohy „Letadlo“

Bakalářský ročníkový projekt Jiří Budasz, Jakub Nečásek

Liberec

2010

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Zadání 1.

Seznamte se s laboratorní úlohou i hlavními cíli při pouţití ve výuce.

2.

Proveďte rozbor a diskuzi pouţitelného zapojení řízeného zdroje napětí (DC 0-9 V, řízeno DC 0-10 V) pro ovládání stejnosměrného motoru.

3.

Navrhněte řízený výkonový zdroj o dostatečném výkonu.

4.

Navrhněte vhodný převodník pro měření signálu polohy pomocí stávajícího vybavení, případně řešte nový způsob měření polohy.

5.

Realizujte a implementujte vhodný řízený zdroj i měření polohy. Proveďte ověření funkčnosti a základní sadu měření.

6.

Popište realizovaný zdroj (převodník), uveďte podrobné schéma zapojení (nejlépe ve vhodném CAD), rozsah signálů, popište pouţití atd.

Požadované náležitosti průběţně:

předvedení a konzultace průběţných výsledků 1x za 15-30 dnů

k obhajobě:

- závěrečná zpráva a dokumentace (min. 25 stran, obsahuje v listinné podobě a na CD vypracovaný projekt a případné programy) včetně anotace ve světovém jazyce (1 strana) a vloţeného zadání - ústní prezentace výsledků formou přednášky s podporou Powerpointu, doplněná o ukázky výsledků, realizovaných programů atd. (ve vyhrazené době cca 15 min.)

Termíny Odevzdání dokumentace do konce letního semestru 2009/10, dle vyhlášky. Obhajoba v termínu dle vyhlášky vedoucího ústavu. Vedoucí učitel Ing. Petr Školník Literatura HW.cz – portál HW řešení. Dostupné online: http://hw.cz. Krejčiřík, A., Napájecí zdroje I., II.., III., BEN – technická literatura, Praha, 2002.

Renovace laboratorní úlohy „Letadlo“ bakalářský projekt

2

Abstrakt Tato práce pojednává o rekonstrukci laboratorní úlohy „letadlo“. Ta byla při zadání v nefunkčním stavu – chyběl výkonový zdroj a odměřování bylo nekompletní. Rekonstrukce tak probíhala formou výměny dosavadní nefunkční elektroniky za od základu nový, na jiném principu postavený zdroj. Odměřování doznalo téţ radikálních změn – z potenciometru na bezkontaktní sofistikovaný snímač. Obsaţeny jsou moţné návrhy zdrojů, odměřování a i případné obohacující úpravy. Dále zpráva popisuje vývoj programu pro řízení jednočipu, který obstarává převod analogového signálu na PWM a i celého jeho zapojení. Ke konci jsou uvedeny výsledky základního měření a také moţná další pouţití úlohy a jejích částí. Klíčová slova: Letadlo, PWM, PIC16F88, PC zdroj


3

Abstract This report is about reconstruction of laboratory measuring model called “airplane”. It was in nonfunctional state at the time of assignment – power source was missing and measuring system wasn’t complete. So reconstruction proceeds with exchange of old electronic circuits by new power source. Sensor was updated too – new contactless angle sensor replaced old potentiometer. Report is including possible designs of power sources, measuring systems and even advanced admeasuring. It’s followed by microchip’s program development, which is supplying analog-to-digital and digital-to-PWM conversion. At the end are mentioned measuring results, and possible other applications of model and its parts. Key words: Airplane, PWM, PIC16F88, PC power source


4

Obsah Zadání .............................................................................................................................................. 2 Abstrakt ........................................................................................................................................... 3 Abstract ........................................................................................................................................... 4 1

Úvod ......................................................................................................................................... 6

2

Rozbor moţných způsobů řešení výkonového zdroje ............................................................. 8 2.1

Lineární zdroj ................................................................................................................... 8

2.2

Řízení pomocí tyristorů .................................................................................................... 9

2.3

Řízený zdroj s PWM......................................................................................................... 9

Rozbor moţných řešení odměřování ..................................................................................... 12

3

3.1

Odměřování potenciometrem ......................................................................................... 12

3.2

Bezkontaktní snímač úhlu .............................................................................................. 12

3.3

Vyhodnocení signálu ...................................................................................................... 13

3.4

Pokročilé moţnosti odměřování ..................................................................................... 13

4

Úprava počítačového zdroje .................................................................................................. 14

5

Řídící obvod ........................................................................................................................... 17 5.1

Popis zapojení ................................................................................................................. 17

5.2

Program mikropočítače a jeho vývoj .............................................................................. 18

5.3

Návrh a výroba plošného spoje ...................................................................................... 19

6

Úprava odměřování ................................................................................................................ 20

7

Kompletace a instalace zdroje ............................................................................................... 23

8

Základní měření na úloze ....................................................................................................... 24

9

Další moţnosti rozšíření a vyuţití úlohy „Letadlo“ a zdroje ................................................. 25

10

Závěr a zhodnocení ............................................................................................................ 26

11

Pouţitá literatura ................................................................................................................ 27

Přílohy ........................................................................................................................................... 28


5

1 Úvod Základní částí laboratorní úlohy “Letadlo” je, jak vyplývá z názvu, polystyrenový model letadla. Ten je opatřen dvěma motory. Jeden motor je uvnitř letadla a druhý nad ním na tyči. Druhý jmenovaný motor byl patrně přidán později. Pravděpodobně pro nedostačující výkon vnitřního motoru. Tento model letadla je zavěšen na tyči, která je přes otočný kloub a horizontální nosník upevněn v otáčivém uloţení na stropě. V kloubovém spojení je umístěn snímač úhlu natočení. V původním řešení to byl potenciometr. V otočném uloţení jsou uhlíkové kartáče a krouţky, přes které se přenáší jednak výkonový signál do motorů a jednak signál ze snímače úhlu natočení. Na Obr 1.1 vidíme fotografii modelu. Funguje tak, ţe přivedením napětí do motorů se letadlo uvede do kruhového pohybu, zároveň se díky odstředivé síle začne vychylovat závěs s letadlem. Nutno říci, ţe tento model působí velmi efektně a zajímavě, obzvláště kdyţ létá velmi blízko stropu a svítidel.

Obr 1.1 Foto modelu letadla v učebně


6

Model tedy z hlediska automatizace je regulovaná soustava, kde regulovanou veličinou je úhel natočení závěsné tyče letadla a akční veličinou je výkonový signál přivedený do motorů letadla. Výkonový signál vedený do letadla je ovládán standardizovaným napěťovým signálem o velikosti 0 ÷ 10V. Konstrukční parametry tohoto modelu i jeho princip v sobě skýtají některé obtíţe. Jednou z nich je to, ţe veškeré pouţité signály se musí přenášet přes uhlíkové kartáče a krouţky v zavěšení letadla. U výkonového signálu pro motory je to problém téměř zanedbatelný. Naproti tomu u signálu ze snímače natočení je tento problém mnohem větší. Signál ze snímače tedy musí mít takové parametry, aby ho toto rušení ovlivnilo minimálně. Dalším zdrojem rušení měřeného signálu je to, ţe obě vedení, jak výkonové tak signálové, jsou těsně vedle sebe v liště v délce několika metrů na stropě a na zdi. Toto je ještě umocněno tím, ţe motory letadla obsahují komutátory, které způsobují velké rušení. Bude tedy potřeba, abychom účinnými opatřeními na vedení a správnou volbou parametrů přenášeného signálu co nejvíce omezili tyto rušivé vlivy. Další úskalí modelu tkví ve výkonu motoru vzhledem k délce vedení. Tento motor má výkon kolem 60W. Jednak při nízkém přenášeném napětí (kolem 6V) proud vodičem se pohybuje kolem 10A. To při velké délce přívodů můţe způsobit nemalý úbytek výkonu na vedení. Dalším konstrukčním oříškem je samotná velikost výkonu a skutečnost, ţe je dle zadání třeba tento výkon měnit od nuly do maxima. Je tedy třeba zdroj navrhnout tak, aby měl co největší účinnost a díky tomu minimální ztráty. Základem původního řešení řízeného zdroje je mikropočítač a několik analogových obvodů upravujících měřený signál. Mikropočítačem je řízen takzvaný „H – můstek“, sloţený ze 4 výkonových tranzistorů. Ten umoţňuje jednak regulovat výkon ve spínacím reţimu tranzistorů a také se můţe motor přepólovat. Díky tomu mohlo letadlo létat i pozpátku. Tento poţadavek však my v zadání nemáme, a proto budeme výkon ovládat pouze v jedné polaritě. Tento zdroj také obsahoval výkonový transformátor. Jak jsem jiţ dříve uvedl, je pro letadlo nutný poměrně velký výkon. Tomu odpovídají rozměry i velká hmotnost tohoto transformátoru. Celý tento zdroj je umístěn v dřevěné krabici nemalých rozměrů. My se budeme snaţit navrhnout zdroj efektivněji i co do hmotnosti a rozměrů.


7

2 Rozbor možných způsobů řešení výkonového zdroje V této kapitole se budeme zabývat několika alternativami konstrukce řízeného výkonového zdroje. Popíšeme jednoduše jejich princip, jejich výhody a nevýhody. Tyto faktory zváţíme a podle toho vybereme návrh našeho řešení, které bude podrobně popsáno v následující kapitole.

2.1 Lineární zdroj Na Obr 2.1 vidíme jednoduché principiální schéma řešení analogového zdroje. Síťové napětí je usměrněno a vyhlazeno. Dále následuje řízený stabilizátor, jehoţ hlavní prvek je výkonový tranzistor, ať jiţ bipolární, nebo téţ unipolární.

Obr 2.1 Principiální blokové schéma analogového zdroje

Řídící signál je zpracováván jednoduchým analogovým obvodem sloţeným z několika málo operačních zesilovačů na řídící signál pro tranzistor, který pracuje v zesilovacím reţimu a podle svého otevření ovládá výkon dodávaný do zdroje. Výhodou tohoto způsobu řešení je to, ţe vše se děje v reálném čase, respektive není zde ţádná digitální část, která by vzorkovala jakýkoliv signál a mohla do zdroje zanášet zpoţdění nebo zkreslení dané digitalizací. Nevýhodou tohoto zapojení je, ţe parametry převodu vstupního signálu na výstupní jsou dány jen hodnotami diskrétních součástek. Tyto hodnoty mohou být značně závislé na teplotě, a tak by teplotní výkyv mohl způsobit „rozladění” převodu. Další nevýhodou tohoto řešení je velká hmotnost a rozměry transformátoru, který by musel mít výkon kolem 250VA. Největší nevýhodou tohoto způsobu řešení je však obrovská výkonová ztráta.


8

Ta je dána tím, ţe na vstupu řízeného stabilizátoru je stále stejné napětí – nepočítáme-li pokles napětí daný zatíţením – avšak na výstupu se toto napětí musí plynule měnit od 0 do maxima. Pokud bychom například do letadla přiváděli poloviční výkon, stejná hodnota výkonu by se ztrácela na výkonovém tranzistoru. Čím menší výkon bychom do zátěţe pouštěli, tím větší by byla výkonová ztráta na tranzistoru. Došlo by také k situaci, ţe by se dokonce na tranzistoru ztrácelo více energie neţ by se dodávalo do motoru. V našem případě tato poslední vada řešení jej činí naprosto nepouţitelným. Pouţití tohoto způsobu by znamenalo obrovské výkonové ztráty. Zároveň by kladlo obrovské nároky na chlazení celého zdroje a hlavně výkonového tranzistoru. Proto jsme tento způsob nepouţili a hledali jsme mnohem efektivnější řešení.

2.2 Řízení pomocí tyristorů Další moţností návrhu zdroje je řízený usměrňovač s tyristory. Nabízí se i více variant podle potřeby řízení napětí – buď v rozmezí 50-100% (tyristory řízená jen polovina můstku a zbytek diody) nebo 0-100% a tedy kompletně řízený můstek. V našem případě kdy se motory na niţší napětí stěţí roztočí, by moţná postačovala první varianta. Řízení takovéhoto můstku by bylo řešeno jedním z integrovaných řídících obvodů pro toto určených. Výhodou je celková jednoduchost zapojení – jednodušší i neţ lineární zdroj s řízeným stabilizátorem. Nevýhodou je přítomnost transformátoru a to navíc takového, který na námi pouţitém rozsahu proudů bude drţet rozumný rozptyl napětí kvůli absenci zpětné vazby nebo stabilizace. Musel by být tedy lehce předimenzovaný.

2.3 Řízený zdroj s PWM Další moţností způsobu regulace výkonu motoru je pouţití tzv. PWM (Pulse Width Modulation), neboli pulzně šířkové modulace. U této modulace se napájecí napětí o konstantní hodnotě spíná do zátěţe obdélníkovým signálem s konstantní frekvencí, ale proměnlivé střídě signálu. Právě velikostí střídy signálu lze jednoduše regulovat výkon dodávaný do zátěţe. Velikost frekvence se volí tak, aby byla nad pásmem slyšitelným lidským uchem, aby provoz zařízení nezpůsoboval nepříjemný hluk.


9

Na Obr 3.1 vidíme principiální blokové schéma regulovaného zdroje s PWM pro naši aplikaci. Úkolem síťového zdroje je dodávat konstantní napětí, co nejméně závislé na zatíţení. Tento zdroj tedy musí být co nejtvrdší. Dále je zde řídící obvod v podobě převodníku analogového vstupního signálu 0 ÷ 10V na signál PWM, který spíná výkonový tranzistor.

Obr 3.1 Blokové schéma zdroje s PWM

Ten je, jak je patrné z obrázku, unipolární – MOSFET. Volba unipolárního tranzistoru je dána tím, ţe v dnešní době mají obecně tyto lepší spínací parametry neţ bipolární (odpor v sepnutém stavu). Navíc uţ z principu konstrukce je řídící obvod na elektrodě Gate galvanicky oddělen od kanálu mezi vývody Drain a Source vrstvou oxidu křemíku. Tranzistor funguje zde jako tzv. dolní spínač. To znamená, ţe z pohledu zátěţe spíná záporný potenciál, tedy zem. V tomto principu je ještě několik dalších moţností pro dílčí řešení a to řešení síťového zdroje a řešení převodníku napětí na PWM signál. Převodník lze realizovat z analogových obvodů. Nabízí se například pouţití dvou operačních zesilovačů. Princip je jednoduchý, jeden je zapojen jako generátor pilového signálu, druhý jako klopný obvod. Podle přivedeného vstupního napětí by komparátor spínal v okamţicích, kdy by se velikost pilového signálu shodovala se vstupním. Nicméně tento způsob řešení v sobě skýtá několik úskalí. Za prvé veškerá nastavení převodních hodnot i frekvence signálu jsou dána hodnotami diskrétních součástek v daném zapojení. Díky tomu je tedy převod obvodu po sestavení moţný měnit pouze změnou součástek, nebo pouţitím trimrů. Nicméně trimry nám zanášejí do zapojení časovou nestálost. Navíc všechny hodnoty součástek jsou více či méně teplotně závislé. Samozřejmě nelze předem říci, ţe takovéto zapojení nebude spolehlivě fungovat, nicméně nelze s velkou jistotou tvrdit ani opak.


10

Proto se nabízí další varianta řešení převodníku a to je pouţití jednočipového mikropočítače s A/D převodníkem. Toto zapojení nám sice zanese nevýhody dané digitalizací signálu. Tedy například, ţe signál na výstupu nebude mít plynulý analogový průběh, ale bude v krocích, daných kvantováním při A/D převodu. Tato nevýhoda však je vzhledem k našim potřebám zanedbatelná, neboť dnešní A/D převodníky mají výstup 10ti i více bitový. Další chybou danou digitalizací signálu můţe být odezva na změnu analogové hodnoty. Jistě zde nějaké zpoţdění bude, nicméně uváţíme-li, ţe dynamika tohoto modelu je velmi hrubě a jednoduše řečeno pomalá, tento problém naprosto odpadá při moţnostech taktovat jednočipový mikropočítač řádově jednotkami MHz. Výhodou tohoto zapojení je také časová stálost převodu – program se v jednočipu nezmění s časem. Teplotní závislost se také na převodu projeví minimálně. Z těchto důvodů jsme tedy dali v našem projektu přednost tomuto způsobu řešení pomocí jednočipového mikropočítače. Dále se nabízí různé moţnosti v řešení síťového zdroje. Jednak je moţnost pouţít lineární zdroj podobný jako v čistě analogovém řešení, popsaném v 2.1. Druhou moţností je pouţití spínaného napájecího zdroje. Výhodou lineárního zdroje je jednoduchý návrh a princip fungování. Zde ale výhody končí. Nevýhodou je větší hmotnost a rozměry oproti spínanému a hlavně niţší účinnost, coţ při našich hodnotách výkonu je klíčové. Nevýhodou spínaného zdroje je ale obtíţná konstrukce a dost sloţitý princip fungování. Nicméně dále převaţují uţ jen výhody, jak jiţ bylo naznačeno, jsou to niţší rozměry, menší hmotnost a větší účinnost. Vlastní konstrukce takovéhoto zdroje by byla dosti náročná a s těţko předvídatelným výsledkem. Proto nás napadlo pouţít jiţ hotový počítačový zdroj a pouze ho přizpůsobit naším potřebám. Po uváţení všech výhod a nevýhod jednotlivých řešení jsme se rozhodli pouţít druhý způsob řešení řízeného zdroje. Jako síťový zdroj pouţijeme upravený zdroj z počítače a převodník napětí na PWM signál bude zaloţen na jednočipovém mikropočítači. Podrobný princip konstrukce našeho řešení je popsán v jedné z následujících kapitol.


11

3 Rozbor možných řešení odměřování 3.1 Odměřování potenciometrem Takovýto typ odměřování je aktuálně instalován (tedy jeho část). Signál z potenciometru v kloubu ramen se přenáší po kratším z nich do krouţků, uhlíky je sbírán a veden koaxiálním kabelem k měřícímu stolu. V původním návrhu bylo i vyhodnocování pomocí operačních zesilovačů a jednočipu. Toto zapojení však bylo součástí celého řízení a tudíţ jsme ho nemohli pouţít v renovaci. Nevýhodami takovéhoto odměřování je opotřebení potenciometru ať uţ samotným měřením úhlu tak i vibracemi od motorku, přenos signálu přes krouţky a téţ jeho vedení v blízkosti silových vodičů. Nevýhodou téţ je rozsah potenciometru, který nezačíná na nulovém odporu, coţ znesnadňuje odměřování. Výhodou však můţe být jen dvouvodičové zapojení.

3.2 Bezkontaktní snímač úhlu Ţivotnost takovéhoto snímače je téměř neomezená, jelikoţ, jak je z názvu patrné, pracuje bezkontaktně. Můţe být na principu optickém jako inkrementálním – ukazuje jen inkrementy od aktuální hodnoty nebo absolutní, který udává aktuální polohu v grayově kódu přičemţ kaţdé poloze je přiřazena jiná číselná hodnota. Výhodou absolutního optického snímače je, ţe po výpadku napájení/rušení stále vyhodnocovací obvody ví přesnou polohu. Další principy mohou být indukční resolvery, které pracují na principu absolutního udávání polohy pomocí různě indukovaného napětí na cívkách statoru – nejedná se tak o úplně bezkontaktní odměřování, ale kontaktně (krouţky) se přenáší jen napájení rotoru coţ má mnohem menší vliv neţ přímo kontaktní odměřování (potenciometr). Nevýhodou digitálních snímačů bývá sloţitější datový přenos, který je v našem případě po krouţkách a dlouhém vedení naprosto neuskutečnitelný. Dále je u absolutních potřeba více vodičů (pokud nekomunikují po sběrnici). Téţ se pouţívají magnetické s Hallovým senzorem. V nich se natáčí magnet nebo jen jeho clonka a tak je na senzoru různé Hallovo napětí. To se poté vyhodnotí v integrované elektronice, a na výstupních svorkách je poté jiţ jen lineární spojitý signál podobný napájenému potenciometru. Tuto moţnost uskutečňujeme my. Výhodami oproti potenciometru je dlouhá ţivotnost, přesná linearita a lepší rozsah výstupního signálu. Nevýhodou můţe být nutné třívodičové zapojení sestávající z kladného napájecího napětí, signálu a zemnícího vodiče.


12

3.3 Vyhodnocení signálu V případě pouţití potenciometru je hned několik moţností. První je pouţití zdroje napětí na krajní svorky potenciometru a kartou poté odměřované napětí na jezdci a jedné z krajních svorek. Bohuţel potenciometr není v klidu ve své krajní poloze a tak by byly nutné další sloţité úpravy signálu, coţ dělá tuto moţnost nereálnou. Další je zapojení potenciometru jen jako proměnného rezistoru pomocí jezdce a jedné ze svorek, ten by se poté připojil k převodníku odporu na napětí například s operačním zesilovačem. Potenciometr však má moc vysokou hodnotu a její malou změnu – převodníky jsou většinou konstruované pro převod z termistorů PT100. Moţné je téţ zapojení do můstku a jeho vyváţení v klidovém stavu, to by bylo moţné a kartou poměrně dobře měřitelné, ale můstek při větším rozváţení začíná být nelineární. Zapojení jednočipu s A/D převodníkem a programovou úpravou signálu se mi zdá uţ jako zbytečně sloţité k tak jednoduchému a nepřesnému způsobu odměřování. S pouţitím bezkontaktního snímače zmizí všechna vyhodnocovací elektronika a signál se můţe vést přímo do měřící karty.

3.4 Pokročilé možnosti odměřování Návrhů vylepšeného odměřování je mnoho, já bych se rád pozastavil nad bezdrátovým přenosem a odměřováním více veličin. Bezdrátový přenos by mohl být uskutečněn pomocí jednoduchého vysílače a přijímače pracujících na frekvenci 433,92MHz nebo 868,3MHz. Tyto hotové moduly obsahují vysílač (přijímač) i přizpůsobenou anténu. Mají jednoduché připojení – jen napájení a vstupní (výstupní) digitální signál. Výhodou je jednoduchost celého přenosu, nevýhodami pak můţe být rušení od jiných signálů a maximální modulovací frekvence jen 4kHz. Ale i přesto by tento přenos mohl být spolehlivější a přesnější neţ dosavadní vedení dráty a přes krouţky. Další moţností bezdrátového přenosu je pouţití Bluetooth modulů. Nevýhodou je značná sloţitost přenosu a vůbec celého zpracování signálu, naopak výhodou můţe být přenos více dat a zabudované ochrany proti rušení. Snímač by mohl zůstat potenciometr pouze s případným přidáním AD převodníku. Náhrada za potenciometr by mohlo být elektronické gyro s jednočipem jako vyhodnocování signálu. Dál by se mohlo akcelerometrem vyhodnocovat zrychlení ve 3 osách. Úlohu by minimálně tečné zrychlení určitě obohatilo.


13

4 Úprava počítačového zdroje 350W ATX PC zdroj jsme dostali od školy vyřazený z rozbitého počítače. Uvnitř téţ chyběl ventilátor. Cílem celé úpravy bylo zdroj zprovoznit, nastavit na pevné výstupní napětí 6V, zajistit jeho co největší stabilitu v rozsahu 0 aţ 20A a vyvést napájení pro vnější obvody zpracování signálu. Nejdříve bylo třeba zdroj rozebrat a vyčistit od nánosů prachu, které tam vznikly během let pouţívání v počítači. Po vyčištění a zkontrolování vnitřku zdroje zdali tam, kromě ventilátoru nechybí i další součástky, jsme se seznámili se zapojením celého obvodu. Z něj jsme usoudili, ţe se jedná o zdroj ne příliš moderní konstrukce a tedy velmi vhodný pro další modifikace. Pro zapnutí zdroje pouţívá základní deska v počítači jeho vyvedený pin „PS ON“, který spojí se zemí a tím uvede zdroj ze spánku do plného běhu. Bylo tedy třeba tento vývod nastálo uzemnit – zapínat zdroj přivedením síťového napětí. Dále se bylo nutné rozhodnout, které z výstupních napětí má nejlepší parametry pro přestavbu. Nabídka je u PC zdroje celkem široká – napětí s větším výstupním výkonem jsou: 3,3V (15A); 5V (25A) a 12V (15A). 3,3V svým nízkým napětím i maximálním proudem nepřichází v úvahu, navíc je toto napětí pevně dáno poměrem závitů (vzhledem k 5V) na VF transformátoru a není tak přímo stabilizováno pomocí integrovaných obvodů – jeho hodnota velmi závisí na zatíţení 5V. Větev se jmenovitým napětím 12V má uţ dostatečnou velikost napětí, která by se dala sníţit a maximální proud by tak mohl vzrůst na poţadovaných 20A, ale bohuţel vnitřní vedení (cesty na plošném spoji), VF transformátor a hlavně výstupní filtr nejsou na takové proudy dimenzovány, tudíţ toto řešení téţ není vhodné. Větev s napětím 5V je svým velkým maximálním proudem, blízkostí poţadovanému napětí a dobrým dimenzováním výstupních prvků nejlepším kandidátem pro přestavbu. Změna výstupního napětí si vyţádala výměnu výstupních kondenzátorů s nízkým maximálním napětím 10V za nové 16V, které jiţ mají větší rezervu a také nejsou opotřebovány moţnými napěťovými špičkami během provozu v PC. Samotná stabilizace výstupního napětí je řešena rezistorovým děličem na vstupu hlavního řídícího obvodu zdroje KA7500 (od jiných výrobců pod názvem TL494). Dělič je konstruován tak, aby při správném výstupním napětí bylo na pinu integrovaného obvodu napětí 2,5V. Zprvu jsme jeden z rezistorů nahradili odporovým trimrem pro moţné nastavení správného napětí vzhledem k ztrátám na vedení. Téţ jsme osadili nový ventilátor a připojili ho na původní interní teplotní regulaci.


14

Na takto upraveném zdroji byla naměřena zatěţovací charakteristika, která však nedopadla moc dobře jak je vidět na Obr 4.1 Do proudu cca 1A napětí kleslo o 2%, poté jiţ klesalo pomaleji, ale stále relativně strmě – konečný pokles (na 20A) byl 15%. Tyto hodnoty se shodovaly na všech třech nastavených výstupních napětích 5V, 6V a 7V. Z tohoto měření jsme usoudili, ţe bude potřeba zdroj dále upravit – výrazný pokles výstupního napětí způsobovalo nezatíţení ostatních výstupů (hlavně 12V). Integrovaný obvod KA7500 má pro zpětnou vazbu jen jeden vstup na který jsou připojeny oba děliče 5V i 12V. druhý jmenovaný jsme tedy odpojili. Změnou výstupního napětí na původních 5V se změnilo napětí i ostatních výstupů a bylo nutné odstranit výstupní filtry (obzvláště kondenzátory – kvůli prevenci jejich explozivní destrukce). Počáteční skok výstupního napětí byl zapříčiněn nezatíţením zdroje, na výstup jsme tedy přidali před-zatěţovací rezistor 10Ω/20W, který je pro dobré chlazení přichycen k plechu krabice zdroje. Napájení externích obvodů zpracování signálu je řešeno jejich připojením na výstup 5Vsb, který je stabilizován vedlejším obvodem (původní určení tohoto výstupu bylo napájet základní desku PC i při zdroji v reţimu spánku) a tudíţ si drţí stále stejné napětí bez ohledu na změnu hlavního napětí.

Obr 4.1 Zatěžovací charakteristiky zdroje


15

Dalším krokem bylo vyřešení napájení pro ventilátor – původní teplotní regulace si brala napájecí napětí z 12V, ale při změně výstupního napětí se tu objevilo napětí podstatně vyšší a ventilátor stavěný na 12V by při plném sepnutí regulace nemusel vydrţet. Toto jsme vyřešili osazením integrovaného lineárního stabilizátoru s pevným napětím (7812) na původní 12V výstup. Ventilátor se tedy nyní roztočí na plné otáčky ihned při zapnutí zdroje – je to dobré i pro chlazení spínacího tranzistoru umístěného kousek od průduchů krabice zdroje. Po finální úpravě jsme naměřili zatěţovací charakteristiku znovu s jiţ dobrými výsledky (téţ na Obr 4.1). Výstupní napětí od začátku klesá stejnoměrně a konečný pokles je 0,3V (na všech napětích) tedy o 4-6%. Poslední úpravou na jiţ instalovaném zdroji byla výměna odporového trimru zpětné vazby za pevný rezistor a osazení výkonově dostačujících vývodů.


16

5 Řídící obvod 5.1 Popis zapojení Na Obr 5.1 vidíme schéma zapojení řídícího obvodu. Je to v podstatě převodník z analogového řídícího signálu o velikosti 0 ÷ 10V na výkonový signál pulzně šířkové modulace. Srdcem obvodu je jednočipový mikropočítač PIC16F88 od firmy Microchip. Blíţe bude tento obvod popsán v samostatné podkapitole včetně popisu řídícího programu a jeho vývoje.

Obr 5.1 Schéma zapojení řídícího obvodu zdroje

Řídící signál vstupuje do svorky S5 (SIG IN). Zde je odporový dělič, který mění napětí na poloviční. Vzhledem k velkému vnitřnímu odporu vstupu mikropočítače povaţujeme dělič za nezatíţený. Podle [1] je doporučená impedance zdroje analogového signálu maximálně 2,5kΩ. S hodnotami odporů 1kΩ tomuto poţadavku pohodlně vyhovíme. Ke vstupu mikropočítače je připojen kondenzátor a dioda polarizovaná proti signálu. Kondenzátor má za úkol odstraňovat krátké rušivé pulzy. Dioda slouţí k ochraně vstupu mikropočítače proti přepólování. Na výstupu mikropočítače je přes ochranný odpor připojen unipolární tranzistor BUZ11. Podle [2] je maximální moţný trvalý proud sepnutým tranzistorem 33A, máme tedy v tomto dostatečnou rezervu. Zároveň je maximální odpor kanálu sepnutého tranzistoru 40mΩ. Podle těchto parametrů tranzistor snese naši zátěţ a zároveň na něm budou malé ztráty. V silové části zapojení – tedy tam kde protéká proud do zátěţe – jsou umístěny dvě nulovací diody, které mají


17

za úkol zamezit zničení obvodu napěťovými špičkami pocházejícími od rozepínané indukční zátěţe. Svorky S1 aţ S8 jsou v provedení šroubovací svorkovnice. Zapojení dále obsahuje podpůrné obvody pro mikropočítač. Jednak je to taktovací krystal, tlačítko pro resetování běhu programu a pět pinů pro programování. Zde jsme vyuţili speciální vlastnost tohoto mikropočítače, výrobcem označovanou jako ICSP (In-Circuit Serial Programming) neboli sériové programování uvnitř obvodu. Toto umoţňuje programovat jednočip v jiţ osazeném zapojení. Díky tomu je tedy náš obvod moţno lehce přenastavit, vloţením jiného programu do jednočipu bez nutnosti jej vyjímat z obvodu.

5.2 Program mikropočítače a jeho vývoj Vybrali jsme mikroprocesor typu PIC16F88 od firmy Microchip. Bylo to proto, ţe má integrovaný AD převodník i integrovaný modul PWM. Dále má (na svou řadu) velkou paměť programu – 4096 instrukcí strojového kódu. A k tomu všemu je cenově velmi dostupný. Větší paměť programu je výhodná, protoţe jej budeme programovat v jazyce C. Z tohoto je překladačem vytvářen program v jazyce strojového kódu, neboli assembleru. Pouţití vyššího jazyka umoţňuje práci s mnoha datovými typy, včetně typů s plovoucí čárkou. Nicméně mikropočítač sám o sobě pracuje pouze s osmibitovými daty a takto je i koncipována jeho základní instrukční sada. Proto i sebesloţitější matematické operace se musí převést na jednoduché. A to tedy zákonitě klade nároky na paměť programu. Jak sem se jiţ zmínil, program jsme vytvořili v jazyce C. K tomu jsme vyuţili prostředí MPLAB od firmy Microchip, doplněné o kompilátor pro jazyk C od firmy HI-TECH software. Oba programy jsou v pouţitelné verzi volně šiřitelné na internetu. Výpis programu v jazyce C je obsaţen v příloze. Funguje následovně. Po resetu běhu programu se spustí funkce main. Ta nejdříve zavolá funkci pro nastavení. V této funkci bez návratové hodnoty se nastaví potřebné registry pro AD převodník i PWM modul. Dále se program dostane do nekonečné smyčky, která vţdy zavolá funkci pro AD převod, ta vrátí převedenou hodnotu na analogovém vstupu. Tato hodnota je přetypována a upravena tak, aby mohla být zapsána do dvou registrů pro ovládání střídy PWM modulu. Doba trvání této smyčky je podle simulace přibliţně 32μs. Tuto hodnotu nelze úplně přesně stanovit, neboť je do jisté míry závislá na velikosti zpracovávaných čísel. Nicméně nemůţe se lišit nijak zásadně.


18

5.3 Návrh a výroba plošného spoje K návrhu plošného spoje jsme pouţili český návrhový systém LSD 2000. Máme s ním zkušenosti a je relativně jednoduchý a intuitivní. Plošný spoj je relativně jednoduchý, a tak postačí pouze jednostranný. Jediné úskalí tkví ve skutečnosti, ţe některými spoji potečou značné zatěţovací proudy. Plošný spoj je tedy navrţen tak, aby tyto cesty byly co nejkratší a nejširší. Na Obr 5.2 vidíme výsledný spoj. Při návrhu nebylo potřeba pouţít ţádnou drátovou propojku, všechny součástky se pohodlně vešly na relativně malou desku. Jak vidíme silová část spojů kolem spínacího tranzistoru je zmenšena na moţné minimum.

Obr 5.2 Pohled na desku plošných spojů ze strany součástek

Samotnou desku plošných spojů jsme vyrobili tzv. fotocestou. To znamená, ţe šablonu spoje jsme vytiskli na tenký pauzový papír. Poté jsme přes tuto šablonu osvítili cuprexid s fotocitlivou vrstvou pomocí UV lampy, v hydroxidu sodném jsme odmyli přebytečnou fotocitlivou vrstvu, kde nemá být. Pak jsme spoj vyleptali v chloridu ţelezitém. Nakonec jsme spoj očistili, nalakovali pájivým lakem a vyvrtali díry pro součástky. Podrobné schéma zapojení s výkresem plošného spoje ve velkém rozlišení je obsaţeno v příloze.


19

6 Úprava odměřování Začali jsme s odmontováním celého modelu ze stropního závěsu. Zakoupený snímač má montáţní otvory po stranách a v hřídelce zářez pro spojení s odměřovaným tělesem. Původní potenciometr byl 10kΩ s maximálním proudem 2A tedy velice robustní. V kovovém pouzdře měl toroidně namotán odporový drát, který jsme z důvodu úspory místa odstranili. Na odporovou dráhu dosedal jezdec připevněný přes plastové uchycení k hřídelce. Jezdec jsme odmontovali, ale jeho uchycení ponechali pro přenos natočení z hřídelky na snímač. Po odstranění nepotřebných částí potenciometru se z něj stal jen závěs, který obsahuje dvě kuličková loţiska a velmi pevné uchycení celého pouzdra k oběma nosníkům. Vrchní kryt poslouţil jako základ pro uloţení snímače, byl do něj uprostřed vyvrtán otvor pro hřídelku snímače a u krajů pro šrouby uchycující samotný snímač. Vzhledem k materiálu pouzdra závěsu (hliník) bylo nutné pouţít šrouby M4 s velkou podloţkou aby se zabránilo jeho promáčknutí. Úprava bývalého drţáku jezdce spočívala v otočení nosného L-plechu o 180° tak, aby zapadla do otvoru na snímači. Tento plech byl však poměrně malých rozměrů a ve snímači měl velkou vůli. Bylo tedy nutné na tento měděný L-profil připájet kus cuprextitu, který dobře vyplnil otvor ve snímači a zabránil jeho vůli. Na obrázku Obr 6.1 je vidět usazený vrchní kryt s připravenou hřídelkou a šrouby pro snímač.

Obr 6.1 Uložení snímače


20

Otočné uloţení je vyrobeno z demontovaného selsynu a osazeno jiným rotorem, novými kartáčky a zbaveno vnitřních cívek. Původní návrh odměřování počítal s dvou-vodičovým zapojením měřícího prvku, a tedy byly v otočném uloţení umístěny jen 4 krouţky – dva silové a dva signálové. Náš snímač však vyţaduje vodiče celkem tři: napájení 5V, signál a společnou zem. Předělávání, případně nová výroba celého rotoru otočného uloţení by byla velmi sloţitá a po přihlédnutí k následujícímu řešení i zbytečná. Ţádný z procházejících vodičů není totiţ spojen s vnější konstrukcí ani hřídelkou rotoru, a tedy bylo moţné jí pouţít jako 3 signálový vodič. Přenos signálu loţisky však není tak dobrý a proto bylo nutné na spodní část pouzdra uloţení nainstalovat přídavný kartáček spojující hřídelku s kostrou spolehlivěji. I přes tyto úpravy můţe být zvláště napájecí napětí zašuměno pohyblivým kontaktem a tak byl na napájecí konektory snímače připájen kondenzátor s poměrně velkou kapacitou 4,7mF, který by měl tyto výkyvy spolehlivě překlenout. Dlouhé vedení však nemůţe kondenzátoru poskytnout dostatečný nabíjecí proud a tak by jeho nabíjení v kritických chvílích mohlo trvat déle neţ by bylo vhodné – pro eliminaci takové situace jsme osadili shodný kondenzátor na svorkovnici otočného uloţení. Pak tedy při delším výpadku kontaktu můţe být kondenzátor na snímači ihned dobit z kondenzátoru před krouţky, který tímto neduhem netrpí. Dále bylo nutné vyměnit původní koaxiální kabel pro odměřování novou dvojlinkou koaxiálních kabelů z důvodu potřeby přivádět ke snímači i napájecí napětí. Tab 6.1 Technické údaje snímače - data z [3] Mechanický rozsah

120°

Moment

0,12 Nm s vratnou pruţinou

Váha

12g

Ţivotnost

+10 milionů cyklů

Ţivotnost při kmitání (2° otáčení)

+80 milionů cyklů

Efektivní měřící rozsah

0 – 120°

Napájecí napětí

5 V ± 10%

Napájecí proud

10 mA při 5V napájecího napětí

Napájecí proud při zkratovaném výstupu

25 mA

Maximální přepětí

24V

Výstupní napětí při 5V napájecího napětí

0,5V – 4,5V

Výstupní linearita při 5V napájecího napětí

± 2%

Rozlišení

Analogové

Odezva

0,23 ms


21

Snímač je jak jiţ sem napsal napájen 5V z tohoto napětí se tedy odvíjí výstupní napětí, které se pohybuje v rozmezí 0,5V – 4,5V s mrtvou zónou o velikosti 5° od obou krajních poloh. My jsme zvolili polohu snímače takovou, aby pracovní napětí signálu (letadlo je zvednuto) bylo co největší a tedy se na něm projevilo rušení co nejméně. V klidové poloze je snímač otočen o cca 90° - 100° oproti původní poloze. Integrovaná vratná pruţina ve snímači není příliš silná, ale i tak odlehčuje motorku a tlačí letadlo vzhůru (minimálně redukuje tíhu závěsu).


22

7 Kompletace a instalace zdroje Napájecí zdroj a elektronika jsou uzavřeny ve společné plastové krabici. Zdroj je připevněn k zadní stěně, do které byl vyříznut otvor pro připojení síťového napájecího kabelu a hlavně výdech ventilátoru. Desku s elektronikou zpracování signálu jsme připevnili přes distanční sloupky k pravé stěně kousek od vstupní ventilační mříţky zdroje, který tak svým ventilátorem chladí součástky na plošném spoji – zvláště spínací tranzistor. Jak je vidět z Obr 7.1. Vstupní ventilační otvory celé krabice jsou ve spodní části blíţ přední stěně. Jedná se o čtvercové pole vyvrtaných otvorů. Zapínání zdroje je řešeno pomocí síťového spínače s doutnavkou indikující běh modelu, který spíná jak fázi, tak i nulový vodič. Řídící analogový signál z terminálu, propojeného s kartou v PC, je přiveden kabelem a signál ze snímače je vyveden stejným způsobem zpět. Z krabice vychází k modelu dvojlinka silových vodičů a dvojlinka koaxiálních kabelů. Všechny vodiče jsou uloţeny v průchodkách s gumovým těsněním a uvnitř krabice staţeny proti vytrţení, téţ jsou upevněny ve svorkovnicích pro jejich rychlé odpojení a případnou výměnu. Celou krabici jsme poté vybavili popisky svorkovnic, výstraţnými nápisy a připevnili ji ke stolu za pravou stěnu pomocí čtyř šroubů M4 se zapuštěnou hlavou. Vodiče jdoucí z krabice jsme přivázali k nohám stolu pomocí stahovacích pásků, aby nepřekáţely (síťový kabel), nebo je schovali do lišty (signály a napájení motorku). Experimentem jsme zjistili, ţe model pracuje lépe pouze s vnějším motorem. Pravděpodobně to způsoboval velký odebíraný proud a nízká účinnost při něm. Proto jsme ho vyřadili z činnosti.

Obr 7.1 Pohled do vnitřku zdroje


23

8 Základní měření na úloze Na kompletní úloze jsme provedli základní měření statické charakteristiky. Toto měření má za úkol ověřit funkčnost modelu, nelze jej tak povaţovat za přesnou statickou charakteristiku. Z tohoto důvodu téţ nebudeme uvaţovat nejistoty měření. Měřili jsme závislost výstupního napětí, které je funkcí úhlu natočení závěsné tyče, na vstupním řídícím napětí. Graf, který je na //obrázku// má tvar obrácené hysterezní smyčky. To je dáno povahou modelu, kdy při měření od 0V do 10V se motorek roztáčí na hodnotě, ale model stále stojí. Při dalším zvýšení napětí se model uvede do pohybu a nastane skoková změna výstupního napětí. Dále je jiţ charakteristika spojitá. Při obrácené změně vstupního napětí, tedy od 10V do 0V je charakteristika spojitá aţ do chvíle, kdy se model zastaví.

Obr 8.1 Převodní charakteristika úlohy


24

9 Další možnosti rozšíření a využití úlohy „Letadlo“ a zdroje Námi vyrobený zdroj je moţno vyuţívat pro jakoukoliv aplikaci, kde je potřeba regulovat výkon PWM modulací, s napětím 0÷6V a proudem do 20A. Nabízí se hlavně pouţití pro motory. Jistě je však moţné pouţít ho i pro napájení topných těles. Zdroj je také moţné doplnit různými dalšími funkčními částmi. Proto jsme nechali v instalační krabici dostatek místa. Dále je moţné změnit převod mezi vstupním analogovým signálem a výstupním PWM. Toto se dá udělat změnou programu mikropočítače. Například by bylo moţné naprogramovat parabolickou závislost výstupu na vstupu atd. Takovýchto moţností je velké mnoţství a jejich sloţitost je v podstatě

omezena

jen

velikostí

paměti

programu.

Dále

je

moţné

komunikovat

s mikropočítačem přes dva z pěti programovacích vývodů. Jsou to vstupně výstupní porty, jejich nastavení se provádí softwarově. Samozřejmě by se na dobu programování tyto vývody musely odpojit od dalšího zapojení. Vyuţití modelu letadla a našeho zdroje jako celku je samozřejmě jako model regulované soustavy s relativně pomalou dynamikou. Nicméně pro studenty je práce na tomto modelu velmi zajímavá uţ jen díky tomu, jak je tento model při běhu efektní. V kombinaci s programem Matlab je moţné provádět identifikaci soustavy nebo zkoušet různé návrhy regulátorů pro tuto soustavu. V neposlední řadě je třeba vzpomenout na dny otevřených dveří, kdy ukázka takovéhoto modelu jakoţto učební pomůcky můţe být pro některé zájemce o studium velmi lákavá. Další moţností vyuţití tohoto modelu je testování různých motorků, vrtulí a jejich porovnávání. Dále by se tento model mohl vyuţívat k práci s pokročilým odměřováním, jak jiţ bylo uvedeno. V úvahu přichází jednak přestavba do nějaké sofistikovanější podoby, ale i současné odměřování několika různými způsoby najednou. Například by současně mohlo pracovat námi vytvořené odměřování pomocí snímače úhlu natočení a bezdrátové odměřování například pomocí měření zrychlení ve třech směrech a na to navazujícím vyhodnocovacím obvodem.


25

10 Závěr a zhodnocení Provedli jsme úspěšně renovaci výukového modelu „Letadlo“ v učebně TK4. Zváţili jsme několik moţných variant provedení a vybrali tu nejvhodnější z pohledu parametrů a realizace. Poté následovala realizace celé úlohy zakončená úspěšným ověřením funkce. Při návrhu a vývoji nám oporu poskytovaly zkušenosti z předchozích prací, hlavně ze střední školy. Při praktické realizaci jsme se setkali s několika problémy. Jedním z nich je skutečnost, ţe úloha se nachází v učebně, ve které probíhá pravidelná výuka, a proto bylo nutné abychom vyhledali volný termín pro naši práci. Dalším náročným úkolem byla výměna koaxiálního kabelu k modelu. Bylo nutné demontovat kus podlahy a protáhnout nový kabel všemi lištami. Největší komplikací při instalaci byly zastaralé kartáčky signálových krouţků. Po prvním sestavení odměřování nefungovalo. Neţ jsme přišli na zdroj poruchy, zabralo nám to značné mnoţství času. Nicméně i náhrada novými kartáčky se neobešla bez komplikací. Správné nastavení kartáčků nám zabralo téţ hodně času. Na modelu jsme pracovali několikrát téměř celý den. Jednou dokonce vyvstala dosti komická situace, kdy nás výše zmiňovaný problém s krouţky zdrţel aţ do večera. Shodou okolností to byl pátek a v době, kdy jsme chtěli jet domů jiţ byla budova uzamčena. Naštěstí však jsme objevili v jedné z laboratoří pracujícího studenta doktorského programu, který nám otevřel dveře.


26

11 Použitá literatura [1] PIC16F87/88 Data Sheet. USA : Microchip Technology Inc., 2003. 214 s. Dostupné z WWW: www.microchip.com [2] BUZ11 Data Sheet. Italy : STMicroelectronics, 1999. 8 s. Dostupné z WWW: <www.st.com>. [3] ILAPS AN101101. Mexico : Cherry, 2005. 3 s. Dostupné z WWW: <www.conrad.cz>.

Poděkování:

Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247

Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh barevně.


27

Přílohy Výpis programu mikropočítače v jazyce C #include #define CCP_RB0 0x3FFF #include <math.h> #include <stdio.h> #define _XTAL_FREQ 20000000 __CONFIG(CCP_RB0 & LVPDIS & BOREN & MCLREN & PWRTEN & WDTDIS & HS ); void nastaveni(); unsigned int prevod(); unsigned int hodnota; unsigned char vystup1,vystup0; void main(void) { nastaveni(); while (1) { hodnota = prevod(); vystup0=(unsigned char)(hodnota&0b11); vystup1=(unsigned char)(hodnota>>2); vystup0=(vystup0<<4)|0b001111; CCPR1L=vystup1; CCP1CON&=vystup0; } } void nastaveni() { TRISB=0b100; TRISA=0xFF; //PORTA jako vystup ANSEL=0b1; //analog vstup je na A0 ADCON1=0b11000000; //razeni zprava,casovani je napajeni ADCON0=0b01000001; //fosc/16, vstup prevod,prevodnik zapnut CCP1CON=0b00001111; //rezim PWM T2CON=0b00000100; //del pomer preddelicky 1,TMR2 PR2=0xFF; //perioda opakovaci frek pwm }

od takt frek,ref na

AN0,nebezi

zapnut FF

//POMOCNE FUNKCE unsigned int prevod() { unsigned int a=0; ADCON0|=0b100; //zahajeni prevodu while(a!=0) a = ADCON0&0b100; //cekani na konec prevodu return (ADRESH*0b100000000+ADRESL); }


28

Celkové schéma zapojení


29

Deska plošných spojů a osazovací plán


30

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Recommend Documents